автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Повышение качества процессов дистанционного управления микроробототехническими системами на основе визуально-силового канала обратной связи

На правах рукописи

ГАПОНОВ ИГОРЬ ЮРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССОВ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ МИКРОРОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ НА ОСНОВЕ ВИЗУАЛЬНО-СИЛОВОГО КАНАЛА ОБРАТНОЙ

СВЯЗИ

Специальность: 05.02.05 - Роботы, мехатроника и робототехнические

системы

- 1 ДЕК 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата наук

Москва 2011

005004155

Работа выполнена на кафедре «Робототехника и Мехатроника»

ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет

«СТАНКИН»

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор Подураев Юрий Викторович

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Филаретов Владимир Федорович

Кандидат технических наук, профессор Филатов Владимир Витальевич

Ведущая организация

«Центральный научно-исследовательский технологический институт» (ОАО «ЦНИТИ»)

Защита состоится 20 декабря 2011 г. в «_» часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направить ученому секретарю совета по указанному выше адресу.

Автореферат разослан «_»_2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.142.01, кандидат технических наук

олосова М. А.

1 Общая характеристика работы

Актуальность работы. Дистанционное управление робототехническими системами на настоящий день является одним из самых активно развивающихся направлений робототехники. Это обусловлено, в частности, увеличением количества проводимых работ, в которых присутствие человека нежелательно или невозможно (работы в космическом пространстве, глубоководные исследования, работы в отрасли ядерной энергетики, работы со взрывоопасными веществами и предметами и др.), а также ростом числа задач высокоточного манипулирования, для выполнения которых человеку необходимы вспомогательные технические средства. Существует множество работ, посвященных теоретическим и практическим аспектам разработки и применения систем дистанционного управления манипуляторами, однако в отечественной литературе практически отсутствуют исследования, посвященные дистанционно управляемым прецизионным робототехническим системам.

В данной работе представлено исследование дистанционно управляемых робототехнических систем, предназначенных для выполнения операций прецизионного манипулирования микрообъектами, что является актуальной задачей во многих медицинских, технологических и промышленных операциях, таких, как малоинвазивная и микрохирургия, сборка микроэлектроники, внутриплазматическая и внутриядерная инъекция ДНК в живые клетки в сфере биотехнологий, стыковка молекул в химической промышленности и других. Данные задачи предъявляют исключительно высокие требования к точности позиционирования микроскопических объектов, вызванные как малыми размерами самих объектов манипулирования, так и их чувствительностью к внешним воздействиям. Рядом исследователей было экспериментально показано, что введение в дистанционно управляемую систему канала силовой обратной связи, в дополнение к существующему визуальному каналу, позволяет существенно повысить показатели качества манипулирования, а именно: снизить перерегулирование, увеличить точность позиционирования, уменьшить временные затраты и утомляемость человека-оператора.

Целью исследования является повышение качества манипулирования (уменьшение перерегулирования, сокращение времени выполнения контактных операций, снижение ошибки при позиционировании объекта) микроскопическими объектами с помощью специализированных дистанционно управляемых робототехнических систем, что достигается при помощи создания

канала силовой обратной связи на основе изображения области манипулирования.

Для достижения поставленной в работе цели решались следующие задачи:

1. Анализ специфики операций микроманипулирования и формирование требований к дистанционно управляемой микроробототехнической системе.

2. Построение математической модели и выполнение компьютерного моделирования системы управления, а также анализ ее устойчивости.

3. Разработка метода оценки силы взаимодействия рабочего органа с объектом манипулирования на основе изображения.

4. Разработка и экспериментальное исследование исполнительного манипулятора, наиболее подходящего для выбранных операций микроманипулирования.

5. Экспериментальное исследование разработанной дистанционно управляемой микроробототехнической системы.

Научная новизна исследования заключается:

- в структуре ДУ МРТС, включающей в себя канал силовой обратной связи, создаваемой на основе изображения области манипулирования;

- в алгоритме генерации силовой обратной связи на основе визуальной информации о поведении объекта манипулирования при контакте с рабочим органом манипулятора;

- в математической модели системы дистанционного управления прецизионным манипулятором с разработанным алгоритмом оценки силы;

- в определении влияния визуально-силового канала обратной связи на качество процессов управления дистанционно управляемыми микроробото-техническими системами путем проведения экспериментальных исследований и компьютерного моделирования.

Методы исследования. Использованы методы теории автоматического управления, информатики, дифференциальных уравнений, обработки изображения, распознавания контуров. Разработка программных средств системы управления выполнена с использованием технологии объектно-ориентированного

программирования на языке С++, алгоритм обработки изображения разработан с использованием библиотеки OpenCV для среды С++. Исследование алгоритмов управления проведено экспериментально и путем математического моделирования с использованием пакетов MATLAB и Simulink. Для наблюдения за объектом манипулирования был выбран микроскоп Motic АЕ-31. В качестве задающего устройства использован настольный манипулятор Phantom Omni производства Sensable Technologies, а исполнительное устройство изготовлено согласно разработанным автором чертежам с использованием двигателей постоянного тока Maxon RE-25, оснащенных энкодерами Махоп и волновыми передачами Harmonie Drive LLC CSF-5. Практическая значимость работы заключается в следующем:

- применение предложенного алгоритма генерации силовой обратной связи на основе изображения позволяет повысить показатели качества микроскопического манипулирования (уменьшить перерегулирование, увеличить точность, снизить время, необходимое для выполнения поставленных задач);

- определены требования к разработке дистанционно управляемых робото-технических систем, соответствующие специфике операций микроманипулирования;

- разработана математическая модель системы в среде MATLAB, являющаяся эффективным средством компьютерного моделирования для исследования динамических характеристик и устойчивости системы управления;

- разработан экспериментальный стенд для выполнения операций микроскопического манипулирования, включающий в себя исполнительное устройство с оригинальной параллельной архитектурой.

Апробация работы. Результаты данной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих научных форумах:

- Международной научной конференции "KIIS Fall Conference 2009", организованной Корейским Обществом Интеллектуальных Систем (KIIS), 2009 год, г. Сеул, Южная Корея;

- Международной научной конференции "IEEE/ASME Advanced Intelligent Mechatronics" (IEEE/ASME AIM 2008), организованной Институтом ин-

женеров по электротехнике и электронике (IEEE) и американским обществом инженеров-механиков (ASME), 2008 год, г. Сиан, Китай;

- Международной научной конференции "Вибрация-2008", г. Курск, Российская Федерация;

- Международной научной конференции "IEEE International Conference on Intelligent Computing" (ICIC 2007), организованной Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), 2007 год, г. Чиндао, Китай;

- Научных семинарах на кафедре "Робототехника и мехатроника" ФГБОУ МГТУ "СТАНКИН";

- Научных семинарах в лаборатории "Центр интеллектуальных систем" Корейского Технологического Университета, г. Чхонан, Южная Корея.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в виде 3 статей в научных рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, а также в виде статей в сборниках международных рецензируемых научных конференций и журналов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 62 рисунка, 7 таблиц и список литературы, включающий 71 наименование.

2 Содержание работы

В первой главе кратко описывается общая структура дистанционно управляемых микроробототехнических систем (ДУ МРТС). В подобных системах человек-оператор с помощью специального задающего устройства (джойстика) управляет ведомым манипулятором, находящимся на расстоянии от человека и непосредственно контактирующим с объектом манипулирования, при этом перемещение рабочего органа осуществляется с точностью в несколько микрометров. Данные о силе взаимодействия эффектора с объектом манипулирования передаются оператору через рукоятку задающего устройства, что позволяет человеку более эффективно совершать необходимые операции микропозиционирования.

Далее приводится обзор истории развития ДУ МРТС, при этом особое внимание уделено системам для проведения операций с живыми клетками.

Целью обзора литературы является ознакомление с известными человеко-машинными интерфейсами и их ролью в системах дистанционного управления прецизионными манипуляторами. Анализируется специфика операций микроманипулирования и производится формирование требований к дистанционно управляемой микроробототехнической системе.

Во второй главе описана математическая модель системы. В первой части главы описана общая структура типичной дистанционно управляемой микроробототехнической системы. Приводится подробное описание процессов функционирования всех составляющих частей системы во время выполнения технологических операций, а также информационных каналов внутри ДУ МРТС.

Во второй части главы приводятся математические модели взаимодействия руки человека-оператора с задающим устройством, которая была записана следующим образом:

(тт + тн) хт + (Ьт + Ън) хт + кнхт = Д* - Д, (1)

где ти,Ьн,кь - масса и коэффициенты вязкости и жесткости человеческой руки,тпт и Ьт~ масса и коэффициент вязкости задающего устройства, хт,£т,хт ~ положение, скорость и ускорение движения задающего устройства, а переменные Д и Д обозначают силу, создаваемую мышцами человека-оператора, и силу, действующую на задающее устройство. Принято, что взаимодействие ведомого устройства с окружающей средой может быть описало аналогичным образом, при этом вводятся следующие обозначения: Д - сила, с которой задающее устройство и объект окружающей среды действуют друг на друга, те,Ье, ке представляют собой массу и коэффициенты вязкости и жесткости объекта окружающей среды, т8 и Ь5 - масса и коэффициент вязкости исполнительного устройства, а переменные ха,ха и х8 обозначают положение, скорость и ускорение движения рабочего органа исполнительного устройства.

Если же мы хотим, чтобы исполнительное устройство отслеживало позицию рукоятки задающего устройства, и при этом человек-оператор чувствовал силу взаимодействия рабочего органа ведомого робота с окружающей средой, необходимо дополнить систему каналами связи, передающими и масштабирующими положение хт или скорость задающего устройства хт и силу

реакции /е, как показано на рис. 1. Введены следующие новые обозначения: кр и к] - коэффициенты масштабирования положения и силы, С\ и Сг - регуляторы положения и силы, соответственно, - передаточные функции человека-оператора, задающего и исполнительного устройств, а также объекта окружающей среды, Ст и Св - регуляторы по положению задающего и исполнительного устройств.

Рис. 1: ДУ РТС с позиционно-силовым управлением.

Динамика системы, изображенной на рис. 1, описывается следующими уравнениями:

к = Ъ-{Ст + 2!т)+к№Ь, (2)

/е = ие ■ (с'„ + г3) + крСт. (з)

Гибридная матрица системы записывается следующим образом:

/т кп

-ха ^21 /122

-крС^и,

к5Сг

27}

и

(4)

Принимается, что регуляторы задающего и исполнительного устройств по положению Ст и Са, а также регуляторы с подачей вперед С\ и Сг имеют следующие передаточные функции: Ст = кту + ктр/з, С3 = кзь + к^/в, С\ =

Си + Схр/й, С2 = 1.

Для исследования устойчивости системы необходимо найти ее полную передаточную функцию. Характеристическое уравнение передаточной функции имеет следующий вид:

{Zcm + Zh) ■ (Zcs + Ze) + CxCiZe = CJ4S4 + a¿s3 + a2S2 + ajs + au, (5)

где

«о = kmp ■ (ksp + kc) + Civkck¡kpC2, (6) «1 = {bm + K + kmv) • (ksp + fee) + (bs + be +

(7)

+ (Clpbe + Civke) kfkpC2, (8)

«2 = (mm + mh) • (k^ + ke) + (ras + me) ■ (kmp) + (9)

+ (bm + bh + km,,) ■ (bs + be + ksv) + (C\vbe + C\pmt) kfkpC2,

03 = (mm + mh) ■ ksv + ma ■ kmv, (10)

a4 = (mm + mh) ■ (ma + me). (11)

Критерий устойчивости Гурвица для полинома четвертого порядка вида 04s4 + (I3S3 + а2s2 + ais + ao формулируется следующим образом:

- ап > 0;

- a¡a2 > a4ai;

- a¡a2ai > a^al + ala0.

Исходя из данных условий, можно найти границы устойчивых значений коэффициентов регуляторов kmv,kmp ,ksv, ksp. Для выполнения первого условия достаточно, чтобы все коэффициенты регуляторов (kmv, ктр, ksv, ksp, Civ), а также физические параметры манипуляторов, окружающей среды и человека-оператора (масса, коэффициенты жесткости и упругости) были положительными. Условимся, что в дальнейшем используются только положительные значения упомянутых выше коэффициентов и физических величин. Подставляя необходимые переменные во второе и третье условия критерия устойчивости Гурвица, можно показать, что система является устойчивой для любых неотрицательных значений коэффициентов ктр и ksp, а также при любых положительных и близких к нулю коэффициентах kmv и ksv. Так

как величина данных коэффициентов обычно имеет третий-четвертый порядок, то можно утверждать, что выбор величины коэффициентов kmv и ksv третьего-четвертого порядка не оказывает негативного влияния на устойчивость системы.

В третьей главе описывается построение алгоритма генерации силы на основе изображения. В первой части главы приводится сравнение силовых датчиков и алгоритмов генерации силы на основе изображения. В то время как прямое измерение силы взаимодействия рабочего органа робота с объектом окружающей среды с помощью специализированных высокоточных силовых датчиков является наиболее очевидным способом получить информацию о силе, применение подобных датчиков связано со многими техническими трудностями, такими, как конструктивная сложность взаимного размещения силовых датчиков и рабочего органа манипулятора, обусловленная их малыми размерами и хрупкостью, а также то, что получаемый с датчиков сигнал подвержен влиянию шумов и наводок. Альтернативным способом оценки силы взаимодействия эффектора с окружающей микроскопической средой остается воссоздание этой силы на основе известной или предполагаемой математической модели микрообъекта, а также визуальных данных о его деформации и перемещении/скорости. Так как в большинстве ДУ MPC микроскопы оснащены видеокамерами, передающими изображение на монитор перед пользователем, применение подобного метода генерации силы не создает необходимости установки какого-либо дополнительного оборудования. Одним из важнейших преимуществ генерации силы на основе изображения является универсальность данного подхода, позволяющая применять его в различных областях микроробототехники и на различном оборудовании. К важным достоинствам подобного метода генерации силы также относится то, что он является бесконтактным.

Вторая часть главы посвящена описанию разработанного алгоритма визуальной генерации силы. Приводятся начальные условия, принятые при разработке алгоритма обработки изображения. Предложенный алгоритм состоит из следующих основных этапов:

- Определение крайней точки рабочего органа;

- Определение контура объекта манипулирования и вывод желаемой позиции объекта;

- Определение контакта между рабочим органом и микрообъектом;

Рис. 2; САБ-модель манипулятора и внешний вид изготовленного устройства.

I

- Выбор модели силовой обратной связи на основе поведения объекта в ходе взаимодействия с рабочим органом;

- Оценка точности микро-позиционирования.

' На первом этапе происходит распознавание рабочего органа и нахождение его крайней точки; это достигается применением метода разности кадров. Далее производится распознавание объекта манипулирования методом адаптивных контуров. После завершения этих двух этапов представляется возможным определение начала контакта между рабочим органом робота и микрообъектом. В дальнейшем происходит генерация силы на основе принятой матема,-I тической модели взаимодействия эффектора с объектом и оценка точности ' микроманипулирования.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования разработанной ДУ МРТС. В первой части главы описывается используемое экспериментальное оборудование. Был разработан специальный ' манипулятор параллельного типа, который использовался в исследуемой ДУ ' МРТС в качестве исполнительного устройства. Манипулятор имел разрешение позиционирования 1,2 мкм и длину рабочей зоны 32,4 мм, что пол-I ностью удовлетворяло поставленным на этапе синтеза системы требованиям к устройству. САБ-модель манипулятора и внешний вид изготовленного устройства показаны на рис. 2.

Общая структура разработанной ДУ МРТС представлена на рис. 3. В си-I стеме можно выделить три основных информационных:

- Компьютер - микроскоп (обработка изображения и фокусировка);

- Компьютер - ведомый робот (дистанционное управление рабочим орга-' П

ном);

- Компьютер - ведущий робот (силовая обратная связь).

Система работает следующим образом. Перед началом манипулирования с помощью контроллера фокусировки происходит автоматическая фокусировка изображения на объекте манипулирования. После завершения данной стадии человеку-оператору предлагается поместить рабочий орган исполнительного манипулятора внутрь выделенной области на мониторе перед пользователем. После успешного завершения распознавания объекта манипулирования и рабочего органа оператор может начинать выполнение требуемых операций микроманипулирова- „ „ „ ,

гис. 3; Основные информационные ка-ния. Информация о положении зада- „ „... 1

^ ^ налы в разработанной ДУ МРТС .

ющего устройства поступает в управляющий компьютер с частотой 1 КГц; в дальнейшем положение ведущего робота масштабируется и передается на контроллер ведомого робота после решения обратной задачи кинематики. Управляющий компьютер осуществляет позиционирование исполнительного устройства через управляющую плату и соответствующие драйверы приводов. Оператор отслеживает микропереме- I щения рабочего органа на мониторе перед собой, куда поступает изображение с камеры на микроскопе. Программа, отвечающая за создание силовой обратной связи на основе изображения, анализирует изображение с камеры, оценивает текущее состояние микроскопического объекта манипулирования (деформацию, перемещение, скорость и т. д.) и генерирует значение силы реакции объекта на основе этих данных. Данная сила масштабируется

до значения, ощущаемого человеком-оператором, и передается на задающее „

устройство.

В данной работе, были экспериментально исследованы два типа силовой модели взаимодействия микрообъекта с рабочим органом: упругая и инерциально-)

12 I

а) б) в) г)

Рис. 4: Желаемое (темная окружность) и текущее (светлая окружность) положения микрообъекта в ходе манипулирования с генерацией силы согласно упругой модели: а) перед началом манипулирования; б) пример недорегули-рования; в) точное позиционирование; г) пример перерегулирования.

вязкая. Эксперименты проводились на разработанной ДУ МРТС с отключенной и включенной силовой обратной связью. Во всех экспериментах измерялось время выполнения задания и средняя точность позиционирования. В общей сложности пятеро человек-операторов приняли участие в экспериментальном исследовании.

В ходе экспериментов по оценке упругой модели силы разработанный алгоритм генерировал однокоординатную силу реакции согласно следующей модели:

^ = к -х, (12)

где ^ - полученное значение силы, к - принятая жесткость объекта манипулирования, х - перемещение рабочего органа после начала контакта с объектом.

В качестве объекта манипулирования был выбран гибкий микростержень радиусом 55 мкм. Стержень был закреплен зажимами с обоих концов, что исключало его поступательное движение в процессе контакта с рабочим органом, но позволяло прогибаться под действием силы нажатия. Оператор мог чувствовать упругость стержня при его прогибе после контакта с рабочим органом, при этом коэффициент упругости объекта варьировался от О до 50 Н/м с каждой новой серией экспериментов для поиска оптимального значения жесткости. Значение сгенерированной силы в дальнейшем умножалось коэффициентом масштабирования к? = 500 и передавалось оператору через задающее устройство. Несколько типичных случаев манипулирования во время описанного эксперимента представлены на рис. 4.

Так как каждый оператор проводил манипулирование в комфортном для

себя темпе, оказалось невозможным сравнивать экспериментальные данные, полученные от разных операторов, руководствуясь только лишь временем завершения эксперимента или значением средней ошибки манипулирования. К примеру, более медленное позиционирование микрообъекта в большинстве случаев приводило к меньшей ошибке, и наоборот. Таким образом, для сравнения экспериментальных результатов, показанных разными операторами, был введен комбинированного критерий, значение которого было равно произведению времени выполнения эксперимента на среднюю ошибку позиционирования. Результат манипулирования считался тем лучше, чем меньше было значение предложенного комбинированного критерия. В результате обработки полученных экспериментальных данных было найдено оптимальное значение жесткости микрообъекта, примерно равное к — 12 Н/м. При данном значении жесткости объекта манипулирования операторы обычно демонстрировали более высокую точность и скорость микропозиционирования. При манипулировании с меньшим коэффициентом жесткости, операторы испытывали недостаток информации о контакте рабочего органа с микрообъектом, что часто приводило к позиционному перерегулированию, вызванному инерцией человеческой руки. Напротив, выбор слишком больших значений коэффициентов жесткости значительно снижал количество случаев перерегулирования, однако приводил к быстрой усталости операторов, что отрицательно сказывалось на времени завершения экспериментов и точности манипулирования. Результаты экспериментов приведены на рис. 5.

Зависимость качества микро-манипулирования от жесткости объекта

Коэффициент жесткости, Н/м

Рис. 5: Экспериментальная зависимость значения комбинированного критерия качества манипулирования от жесткости объекта.

■1 1 . ян®! яттш

* 1 * ¡Г 1

ШШР^ $. ШШШШШШШШШ 3* ¡¡■й ■■■и

а) б) в) г)

Рис. 6: Результаты работы метода оценки точности манипулирования: а) начальное и желаемое положения объектов; б) неточное позиционирование (совпадение: 18,3%); в) умеренно точное позиционирование (совпадение: 62,6%); г) сравнительно точное позиционирование (совпадение: 83%).

Далее в главе описываются эксперименты по оценке инерциально-вязкой силовой модели. В ходе экспериментов по оценке упругой модели силы разработанный алгоритм генерировал однокоординатную силу реакции согласно следующей модели:

Г = т-х + Ъ-х. (13)

Задачей операторов при выполнении экспериментов было перемещение микрообъекта из начальной позиции в желаемое положение. Желаемая позиция

Влияние наличия силовой ОС на ошибку позиционирования

100:---,---,---,-,--г-

Человек-оператор

Рис. 7: Экспериментальные результаты точности совпадения желаемого и действительного положений микрообъекта при манипулировании с силовой ОС, созданной согласно инерциально-вязкой модели, и при ее отсутствии.

выбиралась с помощью копирования исходного контура объекта в заданную точку экрана. Во время манипулирования человек-оператор мог чувствовать двухкоординатную силовую обратную связь. Точность позиционирования вычислялась как процентное соотношение площади пересечения желаемого и результирующего контуров объекта к его площади. Результаты работы данного метода оценки точности представлены на рис. б.

Согласно экспериментальным данным, точность позиционирования с силовой обратной связью для описанных выше параметров инерциально-вязкой модели силы возросла на 21,8 % по сравнению с аналогичными результатами, показанными операторами при манипулировании без силовой обратной связи (рис. 7).

3 Общие выводы и результаты

1. В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача повышения качества дистанционного управления микроробототехниче-скими системами на основе применения комбинированного визуально-силового канала обратной связи, в котором силовая обратная связь создавалась на основе изображения области манипулирования.

2. Предложена структура робототехнической системы дистанционного управления микроманипулятором, включающая в себя канал силовой обратной связи, отражаемой человеку-оператору, на основании информации о деформации и движении объекта манипулирования. Данная структура способствует повышению точности, качества и удобства дистанционного управления микроробототехническими системами.

3. Предложен алгоритм оценки силы взаимодействия рабочего органа манипулятора с объектом манипулирования, основанный на анализе изображения микрообъекта, поступающего с области манипулирования. Разработанный алгоритм воспроизводит силу взаимодействия эффектора с объектом манипулирования на основании выбранной силовой модели и информации о деформации, скорости и ускорении движения микрообъекта. Построена математическая модель, реализующая предложенный алгоритм, как часть структуры системы двустороннего дистанционного управления микроманипулятором.

4. Разработана математическая модель системы в среде МАТЬАВ, являю-

щаяся эффективным средством компьютерного моделирования для исследования динамических характеристик системы управления. Проведен анализ устойчивости системы с каналом силовой обратной связи, в результате которого определены области допустимых значений коэффициентов регуляторов для обеспечения устойчивости системы.

5. При помощи экспериментального исследования показано, что применение предложенного комбинированного визуально-силового канала обратной связи позволило существенно повысить качество дистанционного управления микроробототехнической системой, а именно, снизить перерегулирование, повысить точность и уменьшить временные затраты на выполнение задач микроманипулирования.

6. Результаты диссертационного исследования внедрены в проект "Проведение проблемно-ориентированных исследований по созданию подвижных реконфигурируемых коммуникационных сетей на основе автономных мобильных мехатронных агентов" федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы", а также в учебный процесс при обучении студентов мехатронике и робототехнике. Разработанный экспериментальный микроробототехиический комплекс используется для дальнейших исследований систем дистанционного управления.

Основные положения диссертации отражены в работах:

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Гапонов И. Ю., Подураев Ю. В., Чхо Х.-Ч., Генерация силы на основе изображения в дистанционно-управляемых микро-робототехнических системах // Мехатроштка, автоматизация, управление, № 8, 2011 - с. 34-40.

2. Гапонов И. Ю., Подураев Ю. В., Чхо Х.-Ч., Разработка манипулятора с параллельной архитектурой для прецизионной микро-робототехни-чсской системы // Вестник МГТУ СТАНКИН, №4, т. 2, стр. 32-39, 2011.

3. Gaponov I., Cho Н. С., Kim J. W., Totorkulov К., Choi S. J., Ryu J. H., Cho Т. H., Intelligent Filtering in Telerobotic System // Communications in Computer and Information Science (Springer) - Volume 2 - Part 6 (2007) - c. 313-321.

Публикации в других изданиях'.

4. Gaponov I., Cho H. C., Kim J. W., Totorkulov K., Choi S. J., Telerobot System for Carrying FPD //In Proceedings of KFIS Spring Conference, April

2007, Мокро Maritime University, South Korea.

5. Gaponov I., Cho H. C., Ryu J. H., Choi S. J., Telerobotic System for Cell Injection Applications // Сборник научных трудов VIII научно-технической конференции «Вибрация-2008. Вибрационные машины и технологии». Май

2008, Курск, Россия.

6. Gaponov I., Ryu J. Н., Choi S. J., Cho H. C., Poduraev Yu., Telerobotic System for Cell Manipulation // In Proceedings of the 2008 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, July 2008, Xi'an, China.

7. Gaponov I., Cho H. C., Choi S. J., Design of Intelligent Filter for Telerobotic System // International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems - Volume 8 - no. 2 (June 2008), c. 100-105.

8. Gaponov I., Cho H. C., Intelligent Control System for Biorobotic Micromanipulator //In Proceedings of KIIS Fall Conference, December 2009, Jeju University, South Korea.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата наук

Гапонов Игорь Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССОВ ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ МИКРОРОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ НА ОСНОВЕ ВИЗУАЛЬНО-СИЛОВОГО КАНАЛА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Подписано в печать 14.11. 2011. Формат 60x90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1.25. Тираж 120 экз. Заказ № 188

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» 127055, Москва, Вадковский пер.,3а Тел.: 8(499) 973-31-03

Введение

1 Дистанционно управляемые микроробототехнические системы

1.1 История развития ДУ МРТС микроманипулирования.

1.2 Дистанционно управляемые микроробототехнические системы для операций с живыми клетками.

2 Система управления и анализ устойчивости

2.1 Обшая структура ДУ РТС.

2.2 Математическая модель системы

2.3 Анализ устойчивости.

2.3.1 Критерий устойчивости Гурвица

2.3.2 Критерий устойчивости Лльюэллина.

2.3.3 Влияние оператора и окружающей среды на устойчивость системы управления.

2.4 Численное моделирование системы.

3 Генерация силовой обратной связи на основе изображения 62 3.1 Сравнение силовых датчиков и алгоритмов генерации силы на основе изображения.

3.2 Визуальная генерация силы.

3.2.1 Определение рабочего органа и объекта окружающей среды.

3.2.2 Предлагаемый алгоритм обработки изображения.

3.3 Выбор силовой модели.

4 Экспериментальное исследование

4.1 Экспериментальная установка и оборудование.

4.1.1 Ведомый манипулятор

4.1.1.1 Мотивация разработки ведомого манипулятора

4.1.1.2 Кинематика разработанного манипулятора

4.1.1.3 Практическая реализация манипулятора

4.1.1.4 Экспериментальная проверка точности манипулятора

4.1.2 Устройства получения изображения и управляющая электроника

4.1.3 Задающее устройство и рабочие зоны манипуляторов

4.1.4 Структура разработанной ДУ МРТС.

4.2 Анализ упругой модели.

4.2.1 Экспериментальное окружение.

4.2.2 Эксперименты с фиксированной желаемой позицией

4.2.3 Результаты экспериментов с фиксированной желаемой позицией

4.2.4 Эксперименты с переменной желаемой позицией

4.2.5 Результаты экспериментов с переменной желаемой позицией

4.3 Анализ инерциально-вязкой модели.

4.3.1 Экспериментальное окружение.

4.3.2 Результаты экспериментов с инерциально-вязкой моделью

Актуальность работы. Дистанционное управление робототехническими системами на настоящий день является одним из самых активно развивающихся направлений робототехники. Это обусловлено, в частности, увеличением количества проводимых работ, в которых присутствие человека нежелательно или невозможно (работы в космическом пространстве, глубоководные исследования, работы в отрасли ядерной энергетики, работа с взрывоопасными веществами и предметами и др.), а также ростом числа задач микро- и наноманипулирования, для выполнения которых человеку необходимы вспомогательные технические средства (сборка микроэлектроники, микро- и ма-лоинвазивная хирургия, микроманипулирование молекулами в химической промышленности и сфере биотехнологий и др.).

Активная работа по созданию первых дистанционно управляемых манипуляторов началась в СССР и США в 50-е годы двадцатого века с разработкой копирующих манипуляторов для работы с радиоактивными веществами [1, 2, 60]. В дальнейшем подобные копирующие системы, в которых задающее и ведомое устройства были связаны механически с помощью тросов и ременных передач, были вытеснены робототехническими системами с электроприводами и развитыми системами компьютерного управления.

В данной работе представлено исследование дистанционно управляемых робототехнических систем, предназначенных для выполнения операций прецизионного манипулирования микрообъектами, что является актуальной задачей во многих медицинских, технологических и промышленных операциях, таких, как малоинвазивная и микрохирургия, сборка микроэлектроники, внутриплазматическая и внутриядерная инъекция ДНК в живые клетки в сфере биотехнологий, стыковка молекул в химической промышленности и других. Данные задачи предъявляют исключительно высокие требования к точности позиционирования микро-объектов, вызванные как малыми размерами самих объектов манипулирования, так и их чувствительностью к внешним воздействиям. Рядом исследователей было экспериментально показано, что введение в дистанционно управляемую систему канала силовой обратной связи, в дополнение к существующему визуальному каналу, позволяет существенно повысить показатели качества манипулирования, а именно: снизить перерегулирование, увеличить точность позиционирования, уменьшить временные затраты и утомляемость человека-оператора.

Целью работы является повышение качества манипулирования (уменьшение перерегулирования, сокращение времени выполнения контактных операций, снижение ошибки при позиционировании объекта) микроскопическими объектами с помощью специализированных дистанционно управляемых робототехнических систем, что достигается при помощи создания канала силовой обратной связи на основе изображения области манипулирования.

Для достижения поставленной в работе цели решались следующие задачи:

1. Анализ специфики операций микроманипулирования и формирование требований к дистанционно управляемой микроробототехнической системе.

2. Построение математической модели и выполнение компьютерного моделирования системы управления, а также анализ ее устойчивости.

3. Разработка метода оценки силы взаимодействия рабочего органа с объектом манипулирования на основе изображения.

4. Разработка и экспериментальное исследование исполнительного устройства, наиболее подходящего для выбранных операций микроманипулирования.

5. Экспериментальное исследование разработанной дистанционно управляемой микроробототехнической системы.

Следующие методы исследования использовались для достижения поставленной цели: компьютерное моделирование дистанционно управляемой робо-тотехнической системы, исследование устойчивости системы методами Гур-вица и Лльюэллина, анализ и обработка полученных экспериментальных результатов.

Научная новизна исследования заключается:

• в структуре ДУ МРТС, включающей в себя канал силовой обратной связи, создаваемой на основе изображения области манипулирования;

• в алгоритме генерации силовой обратной связи на основе визуальной информации о поведении объекта манипулирования при контакте с рабочим органом манипулятора;

• в математической модели системы дистанционного управления прецизионным манипулятором с разработанным алгоритмом оценки силы;

• в определении влияния визуально-силового канала обратной связи на качество процессов управления дистанционно управляемыми микроробото-техническими системами путем проведения экспериментальных исследований и компьютерного моделирования.

Практическая значимость исследования состоит в следующем:

• применение предложенного алгоритма генерации силовой обратной связи на основе изображения позволяет повысить показатели качества микроскопического манипулирования (уменьшить перерегулирование, увеличить точность, снизить время, необходимое для выполнения поставленных задач);

• определены требования к разработке дистанционно управляемых робото-технических систем, соответствующие специфике операций микроманипулирования;

• разработана математическая модель системы в среде МАТЬАВ, являющаяся эффективным средством компьютерного моделирования для исследования динамических характеристик и устойчивости системы управления;

• разработан экспериментальный стенд для выполнения операций прецизионного манипулирования, включающий в себя исполнительное устройство с оригинальной параллельной архитектурой.

Структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В главе I приводится обзор истории развития дистанционно управляемых микроробото

Результаты работы данного метода оценки точности представлены на рис. 4.34.

4.3.2 Результаты экспериментов с инерциально-вязкой моделью

Экспериментальные графики вычисляемой двухкоординатной силы показаны на рис. для следующих параметров: т = 0.1 кг и Ь — 1 Нс/м. Скорость и ускорение объекта определялись предложенным алгоритмом обработки изображения. Как видно из приведенных зависимостей, микрообъект двигался в противоположных направлениях на отрезках времени с 61-й но 65-ю и с 68-й по 70-ю секунду, а начиная с 72-й секунды, объект перемещался в основном вдоль вертикальной оси.

Согласно экспериментальным данным, точность позиционирования с силовой обратной связью для описанных выше параметров инерциально-вязкой модели силы возросла на 21,8 % по сравнению с аналогичными результатами, показанными операторами при манипулировании без силовой обратной связи (рис. 4.36).

550

Desired and Experimental Coordinates of Microobject a. 400

350

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Time, sec Positioning Error vs. Time

50 55 Time, sec a)

550

500 g 450

Q.

Desired and Experimental Coordinates of Microobject

400

-Experimental

--Desired i\ P J

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Time, sec Positioning Error \s. Time

А)

Рис. 4.30: Временные характеристики экспериментального (сплошная линия) и желаемого (пунктирная линия) положения, а также ошибки позиционирования для случаев с различной жесткостью микрообъекта: а) Ь5Н/м; б) к = 0 Н/м.

500

450

Desired and Experimental Coordinates of Microobject g 400 0.

350

-Experimental

Desired А Л Г ^ / \ А А" \ \ / V и \ \ / \J \ V/ / V \У 1

65 70 75 80 85

Time, sec Positioning Error \s. Time

90

95

100

80 85

Пте, вес

100

A)

550

I 500 'a. с* о и 450

О.

Desired and Experimental Coordinates of Microobject

400 f il U \J

50 55 60 65 70 75

Time, sec Positioning Error vs. Time

80 85

90

20

10 I

0 -10

-20 ■

RMS Error: 4.5232 A

I^A/'Hjfj ',-w yv

50 55

60 65 70 75 Time, sec

85 90

6)

Рис. 4.31: Временные характеристики экспериментального (сплошная линия) и желаемого (пунктирная линия) положения, а также ошибка позиционирования для случаев с различной жесткостью микрообъекта (ассистирующий режим): а) к — —5 Н/м; б) к = —10 Н/м.

Временные зависимости экспериментально сгенерированных сил

0.15

0.1

0.05 х 0 я

О -0.05 -0.1 -0.15 -0.2

60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80

Время, сек

Рис. 4.35: Сгенерированная сила вдоль горизонтальной и вертикальной осей в ходе выполнения манипулирования объектом с инерциально-вязкой силовой моделью.

100 90 80 а? 70 со

I 60 50

I 40 С

3 зо 20 10 0

Рис. 4.36: Экспериментальные результаты точности совпадения желаемого и действительного положений микро-объекта при манипулировании с силовой ОС, созданной согласно инерциально-вязкой модели, и при ее отсутствии.

Влияние наличия силовой ОС на ошибку позиционирования

1 2 3 4 5

Человек-оператор ных функций ее структурных блоков. Проведен анализ устойчивости и компьютерное моделирование данной математической модели.

3. Разработан метод визуальной оценки силы взаимодействия рабочего органа робота с объектом окружающей среды. Данный метод был экспериментально проверен в ходе выполнения тестовых задач определения контура объекта и рабочего органа манипулятора. Предложенный алгоритм генерации силы оптимизирован для наибольшего быстродействия и потому не оказывает существенного негативного влияния на устойчивость системы.

4. Предложен способ автоматического выбора силовой модели на основе поведения объекта манипулирования при контакте с рабочим органом. Описана специфика типовых взаимодействий инструмента с микрообъектом.

5. Разработан манипулятор, оптимизированный для выполнения операций перемещения, зондирования и прокалывания поверхности микрообъектов. Данное устройство было изготовлено в соответствии с разработанными чертежами и было протестировано в серии экспериментов по прецизионному позиционированию. Точность позиционирования, продемонстрированная устройством, соответствовала требованиям, установленным техническим заданием.

6. Проведен ряд экспериментов по оценке упругой и инерциально-вязкой силовых моделей взаимодействия рабочего органа с объектом манипулирования. Во время выполнения экспериментов операторы ДУ МРТС проводили требуемые операции при отсутствии и наличии силовой обратной связи, создаваемой при помощи предложенного алгоритма визуальной генерации силы. Было проведено сравнение экспериментальных результатов и выявлено, что создание визуально-силового канала обратной связи позволило существенно повысить показатели качества микроманипулирования для обоих видов силовой модели.

7. В ходе экспериментального исследования было показана возможность работы на разработанной ДУ МРТС в ассистирующем режиме работы, при котором система управления помогает человеку-оператору обучаться выполнению незнакомой задачи манипулирования или более точно выполнять сложные операции быстрого позиционирования микрообъектов. Ассистирующий режим работы также использовал разработанный алгоритм обработки изображения для создания вспомогательной силы с последующей ее передачей человеку-оператору через рукоятку задающего устройства.

1. Алферов Г. В., Кулаков Ф. М., Нечаев А. И., Чернакова С. Э. Информационные системы виртуальной реальности в мехатро-нике и робототехнике: учеб. пособие. - СПб.: СОЛО, 2006. - 146 с.

2. Кулешов В. С., Лакота Н. А. Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы. М.: Машиностроение, 1986.

3. Гапонов И. Ю., Подураев Ю. В., Чхо Х.-Ч. Генерация силы на основе изображения в дистанционно-управляемых микро-робототехнических системах // Мехатроника, автоматизация, управление. 2011. - №8. - С. 34 - 40.

4. Гапонов И. Ю., Подураев Ю. В. Разработка манипулятора с параллельной архитектурой для прецизионной микроробото-технической системы // Вестник МГТУ "СТАНКИН". 2011. -№4, т. 2. - С. 32-39.

5. Adams R. J., Hannaford В., "Stable Haptic Interaction with Virtual Environments", IEEE Trans, on Robotics and Automation, vol. 15, No. 3, 1999. pp. 465-474.

6. Ammi M., Ferreira A., "Realistic Visual and Haptic Rendering for Biological-Cell Injection", in Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 918-923, 2005.

7. Ando N., Ohta M., Hashimoto H., "Micro Teleoperation with Parallel Manipulator", in Proc. 2000 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS 2000), vol. 1, pp. 677-682.

8. Ando N., M. Ohta M., Hashimoto H., "Micro Teleoperation with Haptic Interface", 26th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, 2000 (IECON 2000), vol. 1, pp. 13-18.

9. Ando N., Korondi P., Hashimoto H., "Networked Telemicromanipulation Systems "Haptic Loupe", IEEE Trans, on Industrial Electronics, vol. 51, Issue 6, pp. 1259-1271.

10. T. Arai, R. Larsonneur, and Y.M. Jaya, "Calibration and Basic Motion of a Micro Hand Module", in Proc. Int. Conf. Industrial Electronics, Control, and Instrumentation IECON'93, Vol. 3, pp. 1660-1665, 1993.

11. F. Arai, M. Ogawa, T. Fukuda, "Indirect Manipulation and Bilateral Control of the Microbe by the Laser Manipulated

12. Microtools", in Proc. 2000 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS 2000), vol. 1, pp. 665-670.

13. M. Boukhnifer and A. Ferreira, "//2 Optimal Controller Design for Micro-Teleoperation with Delay", in Proc. 2004 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS 2004), vol. 1, pp. 224-229.

14. G. Campion, Qi Wang, V. Hayward, "The Pantograph Mk-II: a haptic instrument", in Proc. 2005 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS 2005), pp. 193-198.

15. A. Codourey, M. Rodriguez, I. Pappas, "A Task-oriented Teleoperation System for Assembly in the Microworld", in Proc. 8th Int. Conf. on Advanced Robotics 1997 (ICAR '97), pp. 235240.

16. R.S. Fearing, "Survey of Sticking Effects for Micro Parts Handling", in Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, 'Human Robot Interaction and Cooperative Robots', Vol. 2, pp. 212-217, 1995.

17. I. Gaponov, H. C. Cho, J. W. Kim, K. Totorkulov, S. J. Choi, "Telerobot System for Carrying FPD", KFIS '2007, Vol.17, No.l, pp.135-138.

18. I. Gaponov, H.C. Cho, J.W. Kim, K. Totorkulov, S.J. Choi, J.H. Ryu, and T.H. Cho, "Intelligent Filtering in Telerobotic System",

19. EE Int. Conf. on Intelligent Computing (ICIC 2007), Vol. 2, Part 6, pp. 313-321, 2007.

20. I. Gaponov, J.H. Ryu, S.J. Choi, H.C. Cho, Yu. Poduraev, "Telerobotic system for cell manipulation", IEEE/ASME Int. Conf. on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM 2008), Vol. 1, Page(s): 165 169, 2008.

21. I. Gaponov, H.C. Cho, S.J Choi, "Design of Intelligent Filter for Telerobotic System", Int. Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, Vol. 8, No. 2, pp. 100-104, 2008.

22. I. Gaponov, H.-C. Cho, J.-H. Ryu, S.-J. Choi, "Telerobotic System for Cell Injection Applications", Int. Conf. VIBRATION-2008, Kursk, Russia, Vol. 1, No. 1, pp. 738-743.

23. I. Gaponov, H.-C. Cho, "Intelligent Control System for Biorobotic Micromanipulator", in Proc. KIIS Fall Conference, Vol. 19, No. 2, Page(s): 253-256.

24. M. Goldfarb, "Dimensional Analysis and Selective Distortion in Scaled Bilateral Telemanipulation", in Proc. 1998 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, vol. 2, pp. 1609-1614.

25. B. Hannaford, "A design framework for teleoperators with kinesthetic feedback," IEEE Tran. on Robotics and Automation, Vol. 5, no. 4, pp. 426-434, 1989.

26. K. Hashtrudi-Zaad, S.E. Salcudean, "On the use of local force feedback for transparent teleoperation", IEEE Proc. Int. Conf. Robotics and Automation, Vol. 3, pp. 1863-1869, 1999.

27. N. Hogan, "Controlling impedance at the man/machine interface," in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Automat., Scottsdale, AZ, 1989, pp. 1626-1631.

28. H. Huang, S. Dong, J.K. Mills, S.H. Cheng, "Automatic suspended cell injection under vision and force control biomanipulation", 2007 IEEE Int. Conf. on Robotics and Biomimetics, pp. 71-76.

29. H. Huang, D. Sun, J.K. Mills, and W.J. Li, "A Visual Impedance Force Control of A Robotic Cell Injection System", IEEE Int. Conf. on Robotics and Biomimetrics, pp. 233-238, 2006.

30. H. Huang, D. Sun, J. K. Mills, and W.J. Li, "Visual-based Impedance Force Control of Three-dimensional Cell Injection System", in 2007 Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Roma, Italy, pp. 4196- 4201.

31. H.B. Huang, Dong Sun, J.K. Mills, Shuk Han Cheng, "Robotic Cell Injection System With Position and Force Control: Toward

32. Automatic Batch Biomanipulation", IEEE Trans, on Robotics, Vol. 25, Issue 3, pp. 727-737, 2009.

33. I.W. Hunter, S. Lafontaine, P.M.F. Nielsen, P.J. Hunter and J.M. Hollerbach. Manipulation and Dynamic Mechanical Testing of Microscopic Objects Using a Tele-Micro-Robot System // IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, vol. 3, pp. 1553-1558, 1989.

34. K. Inoue, T. Arai, T. Tanikawa and K. Ohba, "Dexterous Micromanipulation Supporting Cell and Tissue Engineering", 2005 IEEE Int. Symposium on Micro-Nano Mechatronics and Human Science, pp. 197-202.

35. K. Kaneko, H. Tokashiki, K. Tanie and K. Komoriya, "A Development of Experimental System for Macro-Micro Teleoperation", in Proc. 4th IEEE International Workshop on Robot and Human Communication 1995 (RO-MAN'95), pp. 3035.

36. K. Kaneko, H. Tokashiki, K. Tanie and K. Komoriya, "Macro-Micro Bilateral Teleoperation based on Operational Force Feedforward Operational Force Feedforward Bilateral Teleoperation and its

37. Dexterity", in Proc. 1998 IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems (IROS '98), vol. 3, pp. 1761-1769.

38. A. Kettler, H. Nasse, W. Geis, V. Wilke, W. Ansorge, "Method for performing work on cells of a cell culture and apparatus therefor", U.S.Patent 4 907 158, Mar. 6, 1990.

39. H. Kobayashi, H. Nakamura, J. Tatsuno, and S. Iijima, "MicroMacro Tele-Manipulation System", in Proc. IEEE International Workshop on Robot and Human Communication, pp. 165-170, 1993.

40. J.Y. Lew, "Contact Control of Flexible Micro/Macro-Manipulators", in Proc. 1997 IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, vol. 4, pp. 2850-2855, 1997.

41. P. Kallio and J. Kuncova, "Manipulation of Living Biological Cells: Challenges in Automation," presented at Workshop on Microrobotics for Biomanipulation at 2003 Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, Las Vegas, USA.

42. S. Khan, A.O. Nergiz, M. Elitas, V. Patoglu, A. Sabanovic, "A Hybrid Force-Position Controller based Man-Machine Interface for Manipulation of Micro Objects", Int. Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS '07), pp. 62-67, 2007.

43. D.-N. Kim, K. Kim, K.-Y. Kim, and S.-M. Cha, "Dexterous Teleoperation for Micro Parts Handling Based on HapticNisual1.terface", in Proc. 2001 International Symposium on Micromechatronics and Human Science (MHS 2001), pp. 211-217.

44. J. Kim, F. Janabi-Sharifi and J. Kim, "A Physically-Based Haptic Rendering for Telemanipulation with Visual Information: Macro and Micro Applications", IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems 2008 (IROS 2008), pp. 3489-3494.

45. A. Menciassi, A. Eisinberg, I. Izzo, and P. Dario, "From "Macro" to "Micro" Manipulation: Models and Experiments", IEEE/ASME Trans, on Mechatronics, Vol. 9, Issue 2, pp. 311 320, 2004.

46. M. Mitsuishi, K. Kobayashi and B. Kramer, "Information Transformation-based Tele-Micro-Handling/Machining System", in Proc. IEEE Workshop on Micro Electro Mechanical Systems 1994 (MEMS '94), pp. 303-308.

47. E.A.Y. Murakami, K. Shibata, X.-Z. Zheng, and K. Ito, "Human Control Characteristics in Bilateral Micro-Teleoperation System", 26th Annual Conf. of the IEEE Industrial Electronics Society, 2000 (IECON 2000), vol. 1, pp. 602-607.

48. E.A.Y. Murakami, T. Yamada, T. Kondo, and K. Ito, "Performance Evaluation of Bilateral Micro-Teleoperation Systems based on Man-Machine Dynamic Characteristics", in Proc. 41st SICE Annual Conference (SICE 2002), vol. 5, pp. 2706-2711.

49. K. Park, W.K. Chung and Y.Youm, "Obtaining passivity of microteleoperation handling a small inertia object", in Proc. 2002 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA '02), vol. 3, pp. 3266-3271.

50. A. Pillarisetti, W. Anjum, J. P. Desai, G. Friedman, and

51. A.D.Brooks, "Force Feedback Interface for Cell Injection", in 2005

52. Proc. IEEE First Joint Eurohaptics Conference and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems.

53. A. Pillarisetti, M. Pekarev, A.D. Brooks, and J.P. Desai, "Evaluating the effect of force feedback in cell injection," IEEE Trans. Automation Science and Engineering, Vol. 4 (3), pp. 322331, 2007.

54. S.E. Salcudean, J. Yan, "Towards a Force-reflecting Motion-Scaling System for Microsurgery", in Proc. 1994 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, vol. 3, pp. 2296-2301, 1994.

55. A. Sano, H. Fujimoto and T. Takai, "Human-Centered Scaling in Micro-Teleoperation", in Proc. 2001 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA), vol. 1, pp. 380-385, 2001.

56. C. Stiller and J. Konrad, "Estimating motion in image sequences," IEEE Signal Processing Magazine, Vol. 16, Issue 4, pp. 70-91, 1999.

57. Y. Sun and B.J. Nelson, "Microrobotic cell injection", in Proc. of 2001 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 620-625.

58. Y. Sun, K.-T. Wan, K.P. Roberts, J.C. Bischof, and B. J. Nelson, "Mechanical Property Characterization of Mouse Zona Pellucida", IEEE Trans. Nanobioscience, Vol. 2, Issue: 4, pp. 279-286, 2003.

59. T. Sheridan. Telerobotics, automation and human supervisory control. MIT Press, Cambridge, MA, 1992. - 393 c.

60. M. Tanimoto, F. Arai, T. Fukuda, and M. Negoro, "Force Display Method to Improve Safety in Teleoperation System for Intravascular Neurosurgery", in Proc. 1999 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, vol. 3, pp. 1728-1733.

61. T. Tanikawa and T. Arai, "Development of a Micro-Manipulation System Having a Two-Fingered Micro-Hand", IEEE Trans, on Robotics and Automation, vol. 15, Issue 1, pp. 152-162, 1999.

62. H. Tokashiki, P. Akella, K. Kaneko, K. Komoriya and K. Tanie, "Macro-Micro Teleoperated Systems with Sensory Integration", in Proc. 1996 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, vol. 2, pp. 1687-1693, 1996.

63. H. I. Son, T. Bhattacharjee, D.Y. Lee, "Control Design Based on Analytical Stability Criteria for Optimized Kinesthetic Perception in Scaled Teleoperation", ICROS-SICE Int. Joint Conf., pp. 3365 3370, 2009.

64. H. I. Son, T. Bhattacharjee, H. Hashimoto, "Enhancement in Operator's Perception of Soft Tissues and Its Experimental Validation for Scaled Teleoperation Systems", IEEE/ASME Trans, on Mechatronics, Issue 99, pp. 1-14, 2010.

65. W.H. Wang, X.Y. Liu, Y. Sun, "Autonomous Zebrafish Embryo Injection Using a Microrobotic System," in 2007 Proc. IEEE Int. Conf. on Automation Science and Engineering, pp. 363-368.

66. W.H. Wang, X.Y. Liu, Y. Sun, "Contact detection in microrobotic manipulation", Int. Journal of Robotics Research, Vol. 26, No. 8, pp. 821-828.

67. W.H. Wang, M.M. Alkaisi, J.G. Chase, X.Q. Chen, C.E. Hann, "Suspended Cell Patterning for Automatic Microrobotic Cell Injection", IEEE/ASME Int. Conf. on Mechatronics and Embedded Systems and Applications, pp. 100-105, 2008.\

68. P.-L. Yen, "Maximization of the Stability Allowable Region of the Impedance Scaling for Telemanipulators", 2004 IEEE Int. Conf. on Networking, Sensing and Control, vol. 2, pp. 1352-1357.

69. Y. Yokokohji, N. Hosotani, and T. Yoshikawa, "Analysis of maneuverability and stability of micro-teleoperation systems", in Proc. Int. Conf. Robotics and Automation, vol. 1, pp. 237-243, 1994.

70. Y. Zhang, K.K. Tan, and S. Huang, "Vision-Servo System for Automated Cell Injection", IEEE Trans, on Indusctrial Electronics, Vol. 56, Issue 1, pp. 231-238, 2009.1. ГЛ